پاسخ مستقیم
PCBهای هسته مسی، بستر سنتی FR4 را با یک لایه پایه جامد مسی یا آلومینیومی جایگزین میکنند که اساساً نحوه مدیریت گرما را تغییر میدهد. به جای هدایت گرما از طریق ویاس ها به یک هیت سینک جداگانه، هسته مسی خود به مسیر حرارتی اولیه تبدیل می شود - گرما را مستقیماً از اجزا می گیرد و آن را در سراسر سطح تخته پخش می کند. این ساختار بهویژه در الکترونیک پرقدرت که حالتهای خرابی حرارتی مانند خستگی مفصل لحیم کاری، استهلاک لومن LED و خرابی اتصالات نیمه هادی طول عمر محصول را تعیین میکنند بسیار ارزشمند است.
برای ارائه دهندگان خدمات تولید الکترونیک (EMS) و شرکای OEM، فناوری هسته مس در تقاطع علم مواد، طراحی حرارتی و کنترل فرآیند قرار دارد. تصمیم برای تعیین تخته هسته فلزی باعث ایجاد تغییرات در زنجیره تولید می شود: از طراحی پشته ای و انتخاب دی الکتریک تا پروفایل مجدد جریان SMT، پروتکل های بازرسی و تست نهایی قابلیت اطمینان. درک این وابستگیهای متقابل برای هر مدل سرویس EMS که از الکترونیک قدرت یا برنامههای کاربردی دارای چالش حرارتی پشتیبانی میکند، حیاتی است.
نحوه عملکرد PCBهای هسته مس: مسیر حرارتی
بردهای استاندارد FR4 عایق حرارتی هستند. گرمای تولید شده توسط قطعات باید از ضخامت PCB عبور کند - معمولاً در رسانایی گرما ضعیف است - سپس به صورت جانبی پخش شود یا از طریق ویا یا پدهای حرارتی به یک هیت سینک خارجی منتقل شود. این مسیر مقاومت حرارتی را افزایش می دهد، نقاط داغ ایجاد می کند و اغلب به راه حل های مکانیکی حجیم نیاز دارد.
PCBهای هسته مس این منطق را وارونه می کنند. یک زیرلایه فلزی معمولی عایق شده (IMS) یک لایه مدار نازک فویل مسی را روی یک دی الکتریک رسانای حرارتی قرار می دهد که به یک پایه مسی یا آلومینیومی ضخیم می چسبد. دی الکتریک - معمولاً اپوکسی یا پلی آمید پر از ذرات سرامیکی مانند اکسید آلومینیوم یا نیترید بور - در حالی که گرما را به صورت عمودی هدایت می کند، عایق الکتریکی را فراهم می کند. سپس پایه فلزی با رسانایی حرارتی بالای مس (تقریباً 400 W/mK) یا آلومینیوم (تقریباً 200 W/mK) آن گرما را به صورت جانبی پخش می کند.
نتیجه کاهش چشمگیر مقاومت حرارتی اتصال به جعبه برای اجزای قدرت است. ماسفت یا LED نصب شده بر روی تخته هسته مسی می تواند در دمای بسیار پایین تری نسبت به همان قطعه در FR4 با شرایط محیطی یکسان کار کند. این به طور مشخص اهمیت دارد: به ازای هر 10 درجه سانتی گراد کاهش در دمای محل اتصال، طول عمر نیمه هادی تقریبا دو برابر می شود.
مبادله مکانیکی و الکتریکی است. هسته فلزی وزن را اضافه می کند، از طریق گزینه های ساخت و ساز محدود می کند و نیاز به مدیریت دقیق خوردگی گالوانیکی بین فلزات غیر مشابه دارد. ضخامت دی الکتریک باید عملکرد حرارتی را در برابر الزامات ولتاژ شکست متعادل کند. این محدودیتها انتخاب مواد را به یک تمرین مشترک بین طراح OEM و شریک تولید تبدیل میکند.
انواع مواد و معیارهای انتخاب
همه تخته های هسته مسی قابل تعویض نیستند. شریک سازنده باید ساختار زیرلایه را با نیازهای حرارتی، الکتریکی و مکانیکی برنامه مطابقت دهد.
بسترهای فلزی عایق (IMS)
IMS رایج ترین فرمت هسته مسی برای برنامه های کاربردی با توان متوسط است. لایه دی الکتریک پر از سرامیک معمولاً بین 75 تا 150 میکرون ضخامت دارد و هدایت حرارتی آن از 1.0 تا 3.0 W/mK است. دیالکتریکهای رسانایی بالاتر هزینه بیشتری دارند اما لایههای نازکتری را برای عملکرد حرارتی معادل، بهبود انعطافپذیری مکانیکی و کاهش نسبت ابعاد مته برای vias، امکانپذیر میسازند.
امپدانس حرارتی دی الکتریک - نه فقط رسانایی - عملکرد دنیای واقعی را تعیین می کند. یک لایه نازک و با رسانایی متوسط اغلب از لایه ضخیم و با رسانایی بالا بهتر عمل می کند زیرا مقاومت حرارتی کل به ضخامت تقسیم بر رسانایی بستگی دارد. تیمهای باتجربه EMS نسبت به حداکثر دمای اتصال قطعه و محیط عملیاتی مورد نیاز برای تعیین دیالکتریک مناسب بهجای پیشفرض بالاترین رسانایی موجود، کار میکنند.
مس پیوند مستقیم (DBC) و لحیم کاری فلزی فعال (AMB)
برای بالاترین چگالی توان - اینورترهای وسایل نقلیه الکتریکی، درایوهای کششی، تجهیزات جوشکاری صنعتی - بسترهای سرامیکی با لایههای مسی مستقیماً جایگزین دیالکتریکهای آلی میشوند. هسته های سرامیکی آلومینا (Al2O3)، نیترید آلومینیوم (AlN) یا نیترید سیلیکون (Si3N4) هدایت حرارتی از 24 تا 170 W/mK را با عایق الکتریکی عالی و قابلیت دمای بالا ارائه می دهند.
این بسترها نیازمند فرآیندهای ساخت اساسا متفاوتی هستند. سرامیک شکننده است و به جای مسیریابی نیاز به نمره گذاری و شکستن تخصصی دارد. ضخامت فویل مسی معمولاً 0.25 تا 0.30 میلی متر است که ظرفیت جریان بالایی را ممکن می کند اما حکاکی با گام ریز را پیچیده می کند. مونتاژ از SMT استاندارد به سمت فرآیندهای اتصال قالب، اتصال سیم، یا زینترینگ حرکت می کند. اکثر ارائه دهندگان EMS عمومی، DBC/AMB را در داخل اداره نمی کنند، که صلاحیت زنجیره تامین را حیاتی می کند.
هدایت حرارتی در مقابل ایزوله الکتریکی
یک کشش عملی در طراحی هسته مسی این است که هادی های حرارتی بهتر عایق های الکتریکی بدتری هستند. اپوکسی های پر شده با سرامیک در IMS مقداری رسانایی را با استحکام دی الکتریک قابل اعتماد معامله می کنند. زیرلایه های سرامیکی این را معکوس می کنند: در هر دو بعد عالی اما گران و شکننده است. برای یک طراحی مشخص، انتخاب مناسب به ولتاژ کاری، نیازهای خزش، تحمل ضربه مکانیکی و اهداف هزینه بستگی دارد. یک شریک تولیدی توانا این مبادله را با داده های تجربی به جای مشخصات کاتالوگ به تنهایی هدایت می کند.
ملاحظات فرآیند تولید
ساخت هسته مس از پردازش استاندارد PCB در چندین نقطه متفاوت است. درک این تفاوت ها از کاهش عملکرد و شکست مزرعه جلوگیری می کند.
لمینیت و حفاری
وجود هسته فلزی مانع از آبکاری سوراخ از نوع استفاده شده در چند لایه FR4 می شود. Vias ها باید به طور مکانیکی از هسته جدا شوند - معمولاً با سوراخ کردن سوراخ های بزرگ، پر کردن با اپوکسی غیر رسانا، و سپس سوراخ کردن و آبکاری سیگنال از طریق. این کور از طریق ساخت و ساز هزینه را افزایش می دهد و تراکم مسیریابی را محدود می کند. برخی از طرحها از میکروویاهایی استفاده میکنند که فقط از روی مس و لایه دیالکتریک با لیزر حفر شده و روی هسته فلزی فرود میآیند، اما اینها نیاز به کنترل دقیق ضخامت دیالکتریک و پارامترهای لیزر دارند.
تاب برداشتن تخته در حین لمینیت نگرانی دیگری است. عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین مس (17 ppm/°C) و دی الکتریک های معمولی (ppm/°C 70-50) باعث ایجاد تنش داخلی می شود. چرخه های لمینیت در دمای بالا باید کنترل شوند تا از لایه برداری یا کمان باقی مانده که مونتاژ بعدی را پیچیده می کند، جلوگیری شود.
مهندسی پروفایل SMT Reflow
فوری ترین چالش مونتاژ جرم حرارتی است. یک برد هسته مسی 2.0 میلی متری گرمای قابل توجهی بیشتری نسبت به برد 1.6 میلی متری FR4 جذب می کند و نیاز به پروفیل های جریان مجدد طولانی دارد. یک پروفیل استاندارد بدون سرب با خیساندن 60 تا 90 ثانیه و جریان مجدد 60 تا 90 ثانیه ممکن است به 30 تا 50 درصد زمان بیشتر در بالای مایع نیاز داشته باشد تا از تشکیل کامل اتصال لحیم کاری روی پدهای حرارتی بزرگ اطمینان حاصل شود.
خطر گرم شدن بیش از حد اجزای کوچکتر در حالی که پد حرارتی را به درجه حرارت می رساند. گرمای ناهموار در سراسر تخته نیز می تواند به طور متفاوتی به اتصالات لحیم کاری فشار وارد کند. ارائهدهندگان پیشرفته EMS از اجاقهای چند منطقهای با تختههای پروفیل تعبیهشده با ترموکوپلها در مکانهای حیاتی - بدنههای اجزا، پدهای حرارتی، لبههای برد - استفاده میکنند تا تأیید کنند که هر مکان دمای قابل قبولی را بدون تجاوز از محدودیتهای اجزا مشاهده میکند.
برای بردهای با فناوری ترکیبی با هر دو دستگاه قدرت در مناطق هسته مسی و اجزای سیگنال روی بستر معمولی، ممکن است چاپ مجدد انتخابی یا چاپ استنسیل مرحله ای ضروری باشد. فرآیند ساخت برد مدار: راهنمای جامع برای مبتدیان چگونگی تقسیم این تصمیمات فرآیندی را در برنامه تولید پوشش می دهد.
بازرسی و تست قابلیت اطمینان
استاندارد AOI با محدودیت هایی در سطوح مسی بازتابنده و اتصالات لحیم کاری با نسبت ابعادی بالا که در پدهای حرارتی رایج است، مواجه است. بازرسی اشعه ایکس برای تأیید اتصال لحیم بدون فضای خالی در زیر اجزای برق، که در آن حفرههای کوچک نیز نقاط داغ موضعی ایجاد میکنند، ضروری است. مقاله در مورد بازرسی AOI و اشعه ایکس در مونتاژ PCB جزئیات چگونگی تکمیل این روش ها برای بردهای هسته فلزی را شرح می دهد.
تست قابلیت اطمینان چرخه حرارتی باید CTE مختلف ساختارهای هسته مس را در نظر بگیرد. روشهای IPC-TM-650 اعمال میشوند، اما حالتهای خرابی تغییر میکنند: لایهبرداری دیالکتریک در رابط مس، خستگی لحیم کاری در رابطهای قطعه به برد به دلیل عدم تطابق CTE، و رشد رشته آند رسانا (CAF) در حضور رطوبت و بایاس. یک سیستم دقیق صلاحیت مواد ورودی و قابلیت ردیابی تعداد زیادی، مانند آنچه در BOM Risk Strategy for Turnkey PCB Assembly توضیح داده شده است، به جداسازی اینکه آیا خرابی میدان ناشی از مواد، فرآیند یا دلایل اصلی طراحی است، کمک می کند.
طراحی برای قابلیت ساخت روی بسترهای هسته فلزی
DFM برای بردهای هسته مسی فراتر از قوانین استاندارد PCB است. چندین الگو در طرح های موفق تکرار می شوند.
طراحی پد حرارتی و شابلون
اجزای قدرت روی تختههای هسته مسی معمولاً از پدهای حرارتی در معرض بزرگ به جای سیمهای مجزا برای انتقال حرارت استفاده میکنند. طراحی شابلون باید حجم لحیم کاری را متعادل کند - به اندازه ای که لحیم را پر کند و فضاهای خالی را از بین ببرد، اما نه آنقدر که پل زدن اتفاق بیفتد یا قطعه در طول جریان مجدد شناور شود. رویکردهای رایج شامل دیافراگم های پنجره با پوشش 50 تا 70 درصد یا الگوهای ماتریس نقطه ای است که گازهای شار را در حین جریان مجدد تخلیه می کنند.
مشخصات خمیر لحیم کاری نیز مهم است. سیستمهای شار با فعالیت بالاتر ممکن است برای پروفیلهای جریان مجدد طولانیتر مورد نیاز باشد، اما باقیماندهها باید با هر پوشش یا گلدان منسجم سازگار باشند. خمیرهای غیر تمیز غالب هستند، اما شیمی خاص باید در برابر مواد دی الکتریک برای سازگاری تایید شود.
قرار دادن اجزا و فاصله گذاری
مناطق مسی بزرگ در نزدیکی اجزای منفعل کوچک، گرادیان های حرارتی ایجاد می کنند که بر رفتار خمیر لحیم کاری تأثیر می گذارد. مقاومتی در نزدیکی پد حرارتی ماسفت برقی ممکن است فعال یا خشک شدن زودرس شار را ببیند. قوانین فاصله گذاری و الگوهای امداد حرارتی باید این فعل و انفعالات را در نظر بگیرند. به طور مشابه، اجزای طرف مقابل یک تخته هسته مسی یک طرفه شرایط حرارتی متفاوتی را نسبت به ساختار استاندارد دو طرفه FR4 تجربه می کنند.
پیوست مکانیکی و ادغام محفظه
تختههای هستهای مسی اغلب مستقیماً به محفظه یا شاسی نصب میشوند تا گرمای بیشتری را کاهش دهند. این امر مستلزم برنامه ریزی برای نصب سوراخ ها، ارتفاعات ایستاده و مواد رابط حرارتی است. سازنده تخته باید تلورانس های محکمی در محل سوراخ ها و ضخامت تخته داشته باشد تا از تماس حرارتی مناسب بدون فشار دادن به اتصالات لحیم کاری اطمینان حاصل کند. درجهای رزوهدار یا مهرههای PEM ممکن است مشخص شوند که به هماهنگی بین ساخت PCB و فرآیندهای مونتاژ نهایی نیاز دارند.
برای طراحانی که گزینههای زیرلایه را با هم مقایسه میکنند، مقایسه انواع مختلف مواد تخته مدار چاپی زمینه بیشتری را در مورد نحوه تناسب هسته مسی با متریال گستردهتر فراهم میکند.
چه زمانی باید هسته مس را مشخص کرد: یک چارچوب تصمیم
هسته مس هزینه و پیچیدگی را اضافه می کند. این انتخاب پیش فرض نیست، بلکه یک راه حل هدفمند برای محدودیت های حرارتی خاص است.
هسته مسی را زمانی در نظر بگیرید که: اتلاف انرژی جزء از آنچه FR4 می تواند بدون هیت سینک خارجی مدیریت کند بیشتر باشد. پاکت محصول هیت سینک یا جریان هوا را ممنوع می کند. قابلیت اطمینان چرخه حرارتی بسیار مهم است و خستگی مفصل لحیم کاری یک حالت شکست غالب است. یا برنامه به دمای برد بسیار یکنواخت نیاز دارد (برخی کاربردهای نوری و RF).
زمانی که طراحی نیاز به پیچیدگی چندلایه با گذرگاههای کور و مدفون دارد که ساختار هسته فلزی نمیتواند آنها را در خود جای دهد، اجتناب کنید یا تجدید نظر کنید. وزن به شدت محدود شده است (هسته آلومینیومی ممکن است جایگزین شود اما با جریمه حرارتی). یا اهداف هزینه محدود هستند و نیازهای حرارتی را می توان با وسایل متعارف برآورده کرد.
نقطه گذار اغلب تجربی است. یک قانون سرانگشتی: وقتی دمای اتصال محاسبه شده با FR4 از 85 تا 90 درصد حداکثرهای رتبه بندی شده با حاشیه برای تغییرات محیطی و پیری فراتر رود، هسته مس نیاز به ارزیابی جدی دارد. شبیهسازی حرارتی با مدلهای تخته واقعی، نه فقط محاسبات سطح جزء، این تصمیم را نشان میدهد.
کار با یک شریک EMS در برنامه های Copper Core
برنامههای PCB هسته مس از مشارکت شریک تولید اولیه بهره میبرند. در دسترس بودن مواد بسته به منطقه و زمان تحویل متفاوت است. فرمولاسیون دی الکتریک از تامین کنندگان مختلف با وجود مشخصات مشابه عملکرد متفاوتی دارد. و پنجره های پردازش باریک تر از FR4 استاندارد هستند.
Omini به پروژه های هسته مسی با همان روشی که در برنامه های EMS خود اعمال می شود، رویکرد می کند: بررسی مشترک DFM، تعریف فرآیند شفاف، و اجرای قابل ردیابی. تیم مهندسی پروفیلهای جریان مجدد را بر اساس ساختارهای واقعی تخته، نه دستور العملهای عمومی، اعتبارسنجی میکند و دادههای صلاحیت را در سراسر تامینکنندگان دی الکتریک برای کاهش خطرات در دسترس بودن مواد حفظ میکند. برای OEM هایی که از FR4 به طراحی های هسته فلزی در حال گذار هستند، این مدل مشارکت تولیدی منحنی یادگیری را کاهش می دهد و مسائل مکانیکی حرارتی را قبل از رسیدن به حجم تولید می کند.
بعد زنجیره تامین به همان اندازه مهم است. بسترهای هسته مسی زمان تولید طولانی تری نسبت به FR4 کالا دارند و تامین کنندگان واجد شرایط کمتری در سطح جهانی دارند. یک شریک تولیدی با روابط مواد ثابت و استراتژیهای ذخیره بافر، همسو با اصول استراتژی ریسک BOM برای مونتاژ PCB کلید در دست، از زمانبندی برنامهها در برابر محدودیتهای در دسترس بودن بستر محافظت میکند.
یادداشتهای فیلد: آنچه استقرارهای موفق را از هم جدا میکند
پس از بررسی صدها برنامه هسته مسی، الگوهای خاصی اجراهای موفق را از موارد مشکل ساز متمایز می کنند. طرح هایی که هسته مس را صرفاً به عنوان یک "هیت سینک بهتر" بدون تنظیم طراحی الکتریکی و مکانیکی در نظر می گیرند، با مشکل مواجه می شوند. آنهایی که مسیر حرارتی را از جزء به محیط بازطراحی می کنند - با در نظر گرفتن برد به عنوان یک عنصر حرارتی فعال، نه فقط یک بستر سیم کشی - به قابلیت اطمینان و دستاوردهای عملکردی دست می یابند که این فناوری را توجیه می کند.
رایج ترین خرابی قابل اجتناب، تأیید ناکافی اتصال لحیم کاری در زیر اجزای برق است. بازرسی بصری استاندارد و حتی برخی از پیکربندیهای AOI، حفرههای موجود در اتصالات لحیم کاری پد حرارتی را از دست میدهند. بازرسی اشعه ایکس با تجزیه و تحلیل فضای خالی، که در طرح کیفیت از زمان راه اندازی برنامه مشخص شده است، این موارد را قبل از حمل و نقل می گیرد.
الگوی دیگر: با فرض اینکه هسته مسی تمام نگرانی های حرارتی را از بین می برد. این مسیر سطح تخته را بهبود می بخشد اما نیاز به تهویه مناسب محفظه، مواد رابط حرارتی مناسب در رابط های سیستم و مشخصات واقعی محیط عملیاتی را تغییر نمی دهد. بهترین طراحی هسته مسی هنوز در یک محفظه بدون تهویه در دمای 85 درجه سانتیگراد از کار می افتد.
برای تیمهایی که نسل بعدی لوازم الکترونیکی با توان متراکم را میسازند، PCBهای هسته مسی مسیری اثباتشده برای مدیریت گرما بدون رشد متناسب در اندازه یا هزینه سیستم ارائه میدهند. این فناوری به مهندسی دقیق و مشارکت تولید منظم با دستاوردهای قابل اندازه گیری در قابلیت اطمینان، عملکرد و طول عمر محصول پاداش می دهد.
یادداشت های مهندسی Omini مرتبط
- فرآیند ساخت برد مدار: راهنمای جامع برای مبتدیان
- مقایسه انواع مختلف مواد برد مدار چاپی
- مدل سرویس EMS
- استراتژی ریسک BOM برای مونتاژ PCB کلید در دست
- بازرسی AOI و اشعه ایکس در مونتاژ PCB